光学镜头光机热耦合仿真分析流程
光学镜头现在被广泛应用于各类产品中,例如手机、汽车、无人机、安防摄像头等。镜头良好的成像性能至关重要,如何让微小的镜头呈现出完美的成像质量是镜头行业共同的追求。通常,我们通过光学设计软件进行镜头的设计和优化,以期达到完美的参数指标。然而,到了试制阶段就会出现光学质量不如预期的结果。这首先是因为装配应力导致透镜变形或者位移,其次是环境温度变化导镜面热变形。
为了解决这个问题,引入Ansys Mechanical结构分析软件对镜头的装配和温度工况进行模拟分析,得到镜头变形数据结果,再通过Zemax的STAR模型进行耦合,将镜头的结构分析数据导入到镜头设计软件中,从而在实际工况下进行新一轮的镜头设计和优化。

本文从光学镜头行业的实际需求出发,结合Ansys Mechanical和Zemax两款软件,以车载镜头为例,介绍光学镜头结构分析以及结果导入光学软件的光机热耦合仿真分析流程。
设定光学镜头模型在装配的位置有初始干涉,通过设置摩擦接触进行结构挤压分析。同时设定整体环境温度,模拟结构热膨胀效应。涉及挤压和热膨胀分析的材料参数如下图所示。此外,不同的温度分布将会影响结构的变化以及镜头的折射率,通过Ansys Mechanical结构热仿真或者Ansys Fluent流体软件,计算光学镜头的温度场分布,流程如下图所示。

计算分析结果如下图所示。其中,左图为热变形分析结果,右图为温度场分布情况。

在得到结构热变形的基础上,通过STAR模块将分析结果的面型数据导入至Zemax中。在ANSYS Mechanical一端,只需要安装对应的STAR ACT,在软件的工具条中就会出现对应的目录。

接下来只需要通过工具栏里的提示步骤完整对应的操作,就能得到仿真分析之后的dat档结果,如下图所示。

最终,在Zemax中呈现仿真之后的镜片结果,如下图所示。

通过STAR模块,我们能够完成FEA数据与光学表面准确匹配,并让其精确地反映到光学模型上,改善光学分析的准确性。STAR模块能将FEA数据载入到OpticStudio中,并评估对光学性能的影响,从而优化STOP分析工作流。
Ansys ACT API使用户能够轻松创建扩展并自动执行工作流。使用一致的命名方案保存FEA数据集,这充分说明了脚本编写有助于改进处理速度并降低人为错误。
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